Cảm biến ngọn lửa UV và IR: khác nhau thế nào, chọn loại nào?
Cảm biến ngọn lửa là “con mắt” của bộ điều khiển đầu đốt: nó báo có lửa hay không để bộ điều khiển quyết định giữ gas hoặc ngắt gas. Có ba công nghệ phổ biến: tia cực tím (UV), hồng ngoại (IR) và thanh ion hóa. UV phản ứng nhanh nhất nhưng yếu hơn khi có khói; IR phù hợp lửa dầu và khoảng cách xa nhưng dễ bị nhiễu bởi nền nóng của lò; thanh ion hóa chỉ dùng cho lửa gas. Chọn đúng loại phụ thuộc nhiên liệu, môi trường và cách ngắm lửa.
Điểm chính
- Ngọn lửa phát bức xạ UV (khoảng 1% phổ), ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại (khoảng 90% phổ). Mỗi loại cảm biến “nhìn” một phần của phổ này.
- UV: nhanh nhất, hợp lửa gas, giảm hiệu quả khi khói nhiều hoặc ở xa; cần loại tự kiểm tra khi đầu đốt chạy liên tục.
- IR: tốt hơn ở khoảng cách xa và với lửa dầu; vách lò nóng đỏ có thể làm nhiễu tín hiệu.
- Thanh ion hóa: đặt trực tiếp trong lửa gas, cần lửa ổn định và diện tích nối đất đủ lớn.
- Cảm biến ngọn lửa của đầu đốt khác với đầu báo lửa (fire flame detector) dùng để báo cháy khu vực.
Cảm biến ngọn lửa làm việc gì
Trong hệ thống đốt, cảm biến ngọn lửa nối với bộ điều khiển đầu đốt (xem nhóm bộ điều khiển đầu đốt). Khi khởi động, cảm biến xác nhận lửa mồi rồi lửa chính; khi chạy, nếu mất lửa quá thời gian đáp ứng mất lửa (FFRT, từ dưới 1 giây tới khoảng 4 giây tùy tiêu chuẩn và thiết kế), bộ điều khiển đóng các van ngắt. Ngược lại, nếu cảm biến báo “có lửa” khi lẽ ra chưa có lửa, bộ điều khiển phải khóa không cho khởi động.
Ngọn lửa phát ra những gì
Ngọn lửa phát bức xạ trên một dải rộng gồm tia cực tím, ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại. Tia cực tím chỉ chiếm khoảng 1% tổng phổ, tập trung ở một phần ba đầu của ngọn lửa và tăng khi nhiệt độ lửa tăng. Hồng ngoại chiếm khoảng 90%, nhiều nhất ở hai phần ba cuối của ngọn lửa. Các bộ phận nóng của lò, như gạch chịu lửa, cũng phát hồng ngoại khi nóng trên khoảng 1000°F (xấp xỉ 540°C). Mỗi nhiên liệu cho phổ khác nhau:
| Nhiên liệu | Hồng ngoại | Nhìn thấy | Cực tím |
|---|---|---|---|
| Dầu, phun bằng khí nén | Cao | Cao | Trung bình |
| Dầu, phun bằng hơi nước | Cao | Cao | Thấp |
| Gas, trộn trước với gió | Thấp | Thấp | Cao |
| Gas, không trộn trước | Trung bình | Trung bình | Trung bình |
Cảm biến UV
Cảm biến UV dùng một ống dò bằng thạch anh chứa khí và hai điện cực. Khi tia cực tím từ ngọn lửa lọt vào ống, khí trong ống bị ion hóa và ống phát xung; bộ điều khiển đếm xung để suy ra cường độ lửa. Ống UV chỉ nhạy ở dải sóng ngắn khoảng 200 – 300 nm (“mù mặt trời”) để không bị nhiễu bởi ánh sáng ngoài ngọn lửa.
- Ưu điểm: đáp ứng nhanh nhất trong các công nghệ; làm việc tốt với lửa gas, đặc biệt gas trộn trước.
- Hạn chế: hiệu quả giảm khi tăng khoảng cách tới lửa và khi môi trường nhiều khói; có thể phản ứng với tia lửa đánh lửa, hồ quang hàn, đèn halogen và gạch chịu lửa rất nóng (trên khoảng 2000°F, xấp xỉ 1100°C).
- Lỗi “báo lửa giả”: ống UV già đi có thể phát xung dù không có lửa. Bộ điều khiển chỉ phát hiện được khi đầu đốt tắt rồi khởi động lại, nên với đầu đốt chạy liên tục người ta dùng loại tự kiểm tra có cửa trập chặn tia UV theo chu kỳ.
Trong danh mục của CAD có hai cảm biến UV của Honeywell: C7024E1001 (24 VDC, loại tự kiểm tra trạng thái rắn dùng với bộ khuếch đại R7824C; cửa trập chặn tia UV 12 lần mỗi phút để kiểm tra ống dò; lắp được theo phương ngang, dọc hoặc góc bất kỳ) và Minipeeper C7035A1080 (nhìn đầu, vỏ đạt NEMA 4 và 4X, ống UV thay được tại hiện trường, áp suất tối đa 5 psi, dùng với các bộ khuếch đại R7249A, R7290A, R7749B, R7849A/B).
Cảm biến IR
Cảm biến IR (và ánh sáng nhìn thấy) không chỉ dựa vào có hay không có bức xạ, vì lò nóng cũng phát hồng ngoại. Nó đo tần số nhấp nháy của ngọn lửa, thường bằng tế bào quang dẫn PbS (chì sulfua); tần số nhấp nháy có thể từ khoảng 5 Hz tới hơn 200 Hz. Nhờ phân tích nhấp nháy, cảm biến phân biệt được lửa đang cháy với nền nóng ổn định.
- Ưu điểm: tốt hơn ở khoảng cách xa; phù hợp lửa dầu và lửa gas không trộn trước; ít bị khói làm yếu hơn UV.
- Hạn chế: bức xạ nền tần số thấp từ vách lò và các nguồn nhiệt khác có thể làm tế bào quang dẫn bão hòa (“washout”), khiến cảm biến không theo dõi được nhấp nháy; luồng khí nóng lướt trên gạch chịu lửa còn tạo nhấp nháy giả. Cần ngắm vào vùng đánh lửa và hạn chế nhìn vào nền lò, kèm chỉnh độ nhạy nếu bộ điều khiển có.
Thanh ion hóa (flame rod)
Thanh ion hóa là thanh kim loại nhỏ đặt vào ngọn lửa gas. Lửa làm khí dẫn điện nhẹ, dòng qua lửa chỉ cỡ vài micro-ampe (thường 2 – 4 µA); mạch chỉnh lưu giúp bộ điều khiển loại bỏ tín hiệu giả do chạm đất hay rò điện. Thanh này chỉ dùng cho lửa gas, cần lửa ổn định và diện tích nối đất lớn hơn đáng kể (thường gấp khoảng 4 lần) diện tích thanh. Ví dụ Kromschröder BCU 370 nhận cả tín hiệu ion hóa 1 – 28 µA lẫn tín hiệu UV 1 – 35 µA.
So sánh UV, IR và thanh ion hóa
| Tiêu chí | UV | IR | Thanh ion hóa |
|---|---|---|---|
| Nguyên lý | Bức xạ cực tím từ ngọn lửa | Tần số nhấp nháy hồng ngoại / ánh sáng nhìn thấy | Dòng ion dẫn qua ngọn lửa |
| Nhiên liệu phù hợp | Gas (nhất là trộn trước); cũng dùng cho dầu | Dầu; gas không trộn trước | Chỉ gas |
| Khoảng cách tới lửa | Hiệu quả giảm khi xa | Tốt ở khoảng cách xa | Đặt trực tiếp trong lửa |
| Môi trường nhiều khói | Kém hơn | Tốt hơn | Cần lửa ổn định, thanh càng ngắn càng tốt |
| Nguồn gây nhiễu chính | Tia lửa đánh lửa, hồ quang hàn, halogen, gạch rất nóng | Nền nóng của lò, nhấp nháy giả từ luồng khí | Chạm đất / điện trở rò (đã được mạch chỉnh lưu loại trừ) |
Đầu đốt chạy liên tục và cảm biến tự kiểm tra
Với cảm biến UV, lỗi nguy hiểm là ống dò bị “kẹt” ở trạng thái luôn báo có lửa. Cảm biến tự kiểm tra có cửa trập chặn tia UV theo chu kỳ; bộ điều khiển được thiết kế để mong đợi sự gián đoạn này, và thời gian kiểm tra phải ngắn hơn FFRT để không gây ngắt nhầm. Tiêu chuẩn áp dụng có thể bắt buộc loại tự kiểm tra khi đầu đốt không được tắt/mở lại trong một khoảng thời gian quy định; hãy kiểm tra yêu cầu cụ thể của NFPA 85, NFPA 86 hoặc tiêu chuẩn của dự án.
Cách chọn cảm biến ngọn lửa
- Nhiên liệu: gas trộn trước thiên về UV hoặc thanh ion hóa; dầu thiên về IR; gas không trộn trước dùng được cả hai tùy điều kiện.
- Môi trường: khói, bụi, hơi dầu làm giảm UV; nền lò nóng gây nhiễu cho IR; hồ quang hoặc tia lửa gần đó gây nhiễu cho UV.
- Khoảng cách và góc nhìn: ngắm vào gốc ngọn lửa, qua ống ngắm hoặc mặt bích đúng cỡ; nơi khó nhìn thấy lửa có thể dùng ống ngắm hay giá đỡ xoay.
- Kiểu vận hành: chạy gián đoạn hay liên tục (có cần loại tự kiểm tra).
- Bộ điều khiển và bộ khuếch đại tương thích: mỗi cảm biến chỉ đi với những bộ khuếch đại nhất định theo trang sản phẩm.
- Điều kiện lắp đặt: nhiệt độ, áp suất ở ống ngắm, cấp bảo vệ vỏ, chiều dài và loại cáp.
Xem nhóm cảm biến ngọn lửa và bộ điều khiển đầu đốt của hãng Honeywell.
Đừng nhầm với đầu báo lửa (fire flame detector)
Ngoài cảm biến dùng để giám sát ngọn lửa đầu đốt còn có loại đầu báo lửa dùng để phát hiện đám cháy ngoài ý muốn trong khu vực, như kho nhiên liệu, trạm bơm hay khu chế biến. Loại này không điều khiển đầu đốt mà phát tín hiệu báo động hoặc ngắt khẩn cấp. Ví dụ đầu báo lửa hồng ngoại Honeywell FS24X là đầu báo đa phổ (IR/IR/IR/nhìn thấy) phát hiện đám cháy có và không có thành phần hydrocacbon; theo trang sản phẩm, thời gian phát hiện 3 – 5 giây với đám cháy n-heptane 1 sq. ft. ở 30 m, cấp bảo vệ IP66, đáp ứng SIL 2. Xem giải pháp Fire & Gas Detection của CAD.
Cần thay hoặc chọn cảm biến ngọn lửa cho đầu đốt hiện có? CAD cung cấp thiết bị chính hãng, CO/CQ đầy đủ. Gửi model / thông số, CAD báo giá trong 24 giờ làm việc: liên hệ CAD.
Câu hỏi thường gặp
Cảm biến UV có dùng cho lửa gas được không?
Có. Lửa gas, nhất là gas trộn trước với gió, phát nhiều tia cực tím nên UV là lựa chọn phổ biến. Với lửa gas trong lò rất nóng hoặc nơi có tia lửa, hồ quang gần đó cần xem xét nguồn nhiễu.
Vì sao cảm biến IR vẫn báo "có lửa" khi lửa đã tắt?
Gạch chịu lửa nóng đỏ phát nhiều hồng ngoại, và luồng khí nóng lướt qua có thể tạo nhấp nháy giống ngọn lửa. Cần ngắm đúng vùng đánh lửa, hạn chế nhìn vào nền lò và chỉnh độ nhạy nếu bộ điều khiển cho phép.
Khi nào cần cảm biến tự kiểm tra?
Khi đầu đốt chạy liên tục, không tắt/mở lại trong thời gian dài, và tiêu chuẩn hoặc thiết kế áp dụng yêu cầu. Cảm biến tự kiểm tra, như Honeywell C7024E dùng với R7824C, có cửa trập chặn tia UV theo chu kỳ để chứng minh ống dò vẫn nhạy.
Có thể dùng hai cảm biến cho một đầu đốt không?
Theo trang sản phẩm Honeywell C7024E và C7035A, hai đầu dò có thể nối song song để giảm dừng máy ngoài ý muốn ở nơi khó nhìn thấy ngọn lửa. Cần xác nhận với nhà chế tạo bộ điều khiển và tiêu chuẩn áp dụng trước khi đấu.
